Крізь терни до чорних дір. Кому і за що дали Нобелівську премію з фізики цього року

Цього року Нобелівську премію в галузі фізики дали за дослідження, пов’язані з чорними дірами — одним із найекзотичніших, як їх називає Нобелівський комітет, класом об’єктів у Всесвіті. Половина премії дістанеться 89-річному британському математику й фізику Роджеру Пенроузу. А другу між собою поділять 68-річний Райнхард Ґенцель з Німеччини та 55-річна Андреа Ґез зі США.

Якщо говорити в найбільш загальних рисах, то дослідження цих вчених пояснюють надзвичайно складну природу чорних дір. І навіть вказують конкретне місце в нашому куточку Всесвіту, де розташований один із таких об’єктів.

Де час і простір завершуються

Роджер Пенроуз, за формулюванням Нобелівського комітету, відкрив, «що утворення чорних дір є надійним передбаченням загальної теорії відносності». Це та сама теорія, яку в 1915-му році оприлюднив Альберт Ейнштейн.

Вона змусила абсолютно по-новому поглянути на природу гравітації — того самого явища, яке тримає наш Всесвіт укупі. Саме завдяки гравітації з пилу народжуються зорі, і вона є причиною їхньої загибелі — гравітаційного колапсу.

Потужна гравітація, породжена великою масою, деформує простір і уповільнює плин часу. А надзвичайно велика маса може навіть «відітнути та інкапсулювати» фрагмент простору — так утворюється чорна діра.

Ці речі складні для розуміння у побутових термінах, якими мислить абсолютна більшість з нас. Але науковці довели їх не просто теоретично, але експериментально. Наприклад, три роки тому Нобелівську премію з фізики дали за виявлення гравітаційних хвиль під час злиття двох чорних дір. Їхнє існування випливає з тієї самої знаменитої теорії.

Повертаючись до чорних дір, слід сказати, що в їхнє існування як реальних об’єктів у Всесвіті сам Ейнштейн не дуже вірив. Але це не заважало науковцям розв’язувати складні математичні рівняння, з яких теоретично випливало існування чорних дір в якомусь ідеальному Всесвіті.

Так було до 1960-их років. Але в 1963-му були відкриті квазари — дуже далекі від нас об’єкти (за мільярди світлових років від нашої Галактики) з надзвичайно потужним випромінюванням. Найбільш логічне пояснення природи цих нових об’єктів передбачало існування чорних дір — цілком реальних, а не математичних. Сьогодні ми вже знаємо, що у квазарах справді є надмасивні чорні діри, які поглинають речовину, що їх оточує.

Заслуга Роджера Пенроуза полягає в тому, що він з математичної точки зору описав чорні діри, якими вони є в реальному Всесвіті. Завдяки його роботі з’ясувалося, що в них усередині є сингулярність — певний стан, де закінчуються час і простір. Сьогодні немає фізичних теорій, які можуть пояснити феномен сингулярності. Вважається, що внесок Роджера Пенроуза до нашого розуміння загальної теорії відносності є найбільшим з часів Альберта Ейнштейна.

В центрі нашої Галактики

Двоє інших цьогорічних лавреатів — Райнхард Ґенцель та Андреа Ґез працювали окремо, але розв'язували одну й ту ж задачу. Вони досліджували Стрільця A* (Sagittarius A*) та його космічні околиці. Так називається астрономічний об’єкт — радіоджерело, розташоване за 26 тисяч світлових років від нас у центрі нашої Галактики. Це означає, що вся наша Галактика обертається навколо нього.

Майже до кінця минулого століття не було технологій, які б дозволяли достатньо добре розгледіти цю область космосу, сховану за хмарами пилу. Але поява потужних оптичних телескопів та інших технологій дозволили розв'язати цю задачу.

Райнхард Ґенцель разом із колегами працював на Дуже великому телескопі (Very Large Telescope, VLT). Це насправді комплекс із чотирьох телескопів, встановлений на чилійській обсерваторії Паранал. Кожен з цих телескопів має дзеркало діаметром понад 8 метрів.

Андреа Ґез зі своєю командою працювала в обсерваторії Кека, розташованій на вершині Мауна Кеа на Гаваях. Там є два телескопи із дзеркалами діаметром понад 10 метрів кожне.

Упродовж кількох десятиліть ці групи науковців спостерігали за рухом зірок в околицях центру галактики. Одна із них — S2 (або S0-2) розташована на відстані лише 17 світлових годин від Стрільця A* (надзвичайно мало як для галактичних масштабів). Вона всього за 16 років зробила оберт навколо Стрільця A*. Для порівняння, нашому Сонцю, щоб зробити свій оберт навколо центру Галактики, треба 200 мільйонів років.

Надзвичайно точні спостереження за цією та іншими зорями дозволили дослідникам порахувати, що Стрілець A* за масою дорівнює приблизно масі 4 мільйонів наших Сонць, а його розмір не перевищує розміру Сонячної системи. Виходячи з усього, що нам сьогодні відомо, можна зробити висновок, що такий об’єкт може бути лише надмасивною чорною дірою. Важливо, що спостереження, на основі яких були зроблені ці розрахунки, проводилися незалежно двома групами, і результати збігаються. Отже, сумнівів у їхній правильності бути не може.

Минулого року — теж за дослідження космосу

2019 року Нобелівську премію з фізики поділили між собою троє вчених за дві різні теми, також пов’язані з дослідженням космосу. Одну половину порівну розділили Мішель Майор (Швейцарія) та Дідьє Кело (Швейцарія та Великобританія), які в середині 1990-их років відкрили першу екзопланету (планету, що належить до іншої, не нашої зоряної системи). Це був один із так званих «гарячих юпітерів» (масивні газові гіганти, розташовані поблизу зірки), що обертається навколо зорі «51 Пегаса», віддаленої на 50 світлових років від нас. Слідом за нею упродовж наступної чверті століття були відкриті тисячі екзопланет і постійно відкриваються нові.

Друга половина премії минулого року дісталася Джеймсу Піблзу (США), який досліджує властивості так званого реліктового випромінювання, що утворилося невдовзі після Великого вибуху. Саме його роботи зрештою дозволили зрозуміти, що ми живемо у Всесвіті, який на 95% складається із темної матерії та темної енергії і лише на 5% — зі звичайної матерії, яку ми бачимо навколо нас і з якої складаємося ми самі.

Хто ще отримував нобелівку з фізики

Цьогорічна Нобелівська премія з фізики — 114-та в історії. До цього року її отримали 212 дослідників. Причому американський вчений Джон Бардін отримав її двічі — в 1956-му та 1972-му роках. Марія Кюрі також отримала Нобелівську премію двічі, але в різних номінаціях — з фізики та хімії.

Наймолодшим за всю історію лауреатом премії з фізики став Вільям Лоренс Брегг. Йому було 25 років, коли в 1915-му році він разом зі своїм батьком, Вільямом Генрі Бреггом, отримав її «за заслуги в дослідженні структури кристалів за допомогою рентгенівських променів».

Найстаршим лауреатом став Артур Ешкін. У 2018-му році йому було 96 років, коли він отримав премію «за розробку лазерних щипців та їхнє використання у біологічних системах». Науковець помер нещодавно – 21 вересня цього року в 98-річному віці.

Жінки чотири рази в історії нагороджувалися Нобелівською премією з фізики, рахуючи цьогорічну лауреатку Андреу Ґез. Марія Кюрі в 1903-му отримала премію «за видатні заслуги в спільних дослідженнях явищ радіації». Марію Гепперт-Маєр нагородили в 1963-му році «за відкриття, що стосуються оболонкової структури ядра». А у 2018-му році її удостоїлася Донна Стрікленд «за розробку методів генерації високоефективних ультракоротких оптичних імпульсів».